顶推法架设桥梁施工控制技术分析与预测

曲富强 王立峰 张振伟

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司湖北分公司，湖北 武汉 430000)

桁架桥是铁路桥梁上的常见桥型，不仅造型优美，跨径布置也有较大的选择空间，而且便于拼装，有成套的设备及成熟的工艺[1]。顶推法架设桥梁时的受力状态变化明显，实际施工时的应力状态与运营状态有较大差异，因而对全桥进行监控分析研究与预测可为结构安全提供理论依据[2]。

1 概述

漠阳江特大桥起自江门南站，终至广茂铁路茂名东站。主桁中心的距离13.2 m，人行道设置于其内侧，宽度为1.32 m。设计时速200 km/h客货共线铁路[3]，结构高度1.668 m，轨底部位至垫石顶高度为2.287 m。

2 结构构造形式

1)结构自重：钢结构容重78 kN/m3。

2)二期恒载：包括挡砟墙、道砟、线路设备、电缆槽、电化立柱、人行道支。

3)架与布板、避车台、检查车及其走行轨道等，共计139 kN/m。

4)温度荷载：考虑升降温30 ℃，上线平面相对桥面系升温15 ℃。

5)地震力：地震设防烈度7度，地震动峰值加速度Ag≤0.15g[4]。

主桁立面图、纵向连接系、横向连接系示意图如图1～图3所示。

3 总体施工流程

顶推施工主要流程为：钢桁梁制造、运输以及布置顶推设备→布置钢桁梁拼装平台及水上临时墩→利用一台70 t横跨64 m现浇梁龙门拼装E0′～E3′节间→顶推E0′～E3′节间13.4 m节段→E3′～E4′段材料拼装和焊接完毕并就位→顶进下一个13.4 m节段→循环拼装、顶进直至梁体拼完成→顶进梁体到位→顶进完成→拆除施工搭设平台、临时支墩等设施[5]。

4 结构应力计算和挠度预测

4.1 单元类型

利用Midas civil有限元计算软件创建有限元分析模型，共计213个节点，395个单元,如图4所示。

4.2 测点和截面布置

全桥腹杆布设4个应变计，分别为A1′～E0′杆，A2′～E2′杆，A4′～E4′杆，A5′～E5杆；上弦杆布设4个应变计，分别为A2′～A3′杆，A3′～A4′杆，A4′～A5′杆，A5′～A5杆；下弦杆布设4个应变计，分别为E1′～E2′杆，E2′～E3′杆，E3′～E4′杆，E4′～E5杆。应变器位置示意图如图5所示。

4.3 应力计算结果分析

顶进过程主要划分为三个阶段。在顶进梁体的过程中，主梁的应力伴随着各个阶段的分步施工而变化[6]。应力分析结果见表1～表3。

表1 完成第一次顶推体系转换阶段应力分析

表2 完成第二次顶推体系转换阶段应力分析

表3 完成第三次顶推体系转换阶段应力分析

全桥在第一次顶进施工完成后，最大压应力为-22.91 MPa，最大拉应力为17.97 MPa；全桥在第二次顶进施工完成后，最大压应力为-24.56 MPa，最大拉应力为17.87 MPa；全桥第三次顶进施工后，最大压应力为-54.15 MPa，最大拉应力为48.96 MPa。随着施工的进展，由于结构体系的变换以及自重的不断增加，最大压应力呈现逐步增加的趋势；第二次顶推结束后，拉应力基本维持不变，在第三次顶推完成后，最大拉应力增长显著[7]。在三次顶推施工过程中，应力均在容许应力范围之内，结构安全。

运营阶段主梁杆件应力计算结果最大拉应力为180.7 MPa，最大压应力为-188.1 MPa，运营阶段结构应力控制在规范范围内，主梁在运营阶段的受力满足规范要求。运营阶段应力图见图6，图7。

4.4 挠度计算预测分析

运用灰色理论的分析方法对误差进行调整，以确保桥梁的实际情况和设计相吻合。本文针对顶推施工过程中E1′～E4′节段的挠度理论值和实测值预测E5′节段的挠度值。计算过程：

E1′～E4′节段挠度理论值和实际值分别为：

x=(28.2,52.2,72.7,87.8)。

y=(30.6,54.3,76.0,92.6)。

由x，y的差值得到误差为：

X=(-2.4，-2.1，-3.3，-4.8)。

对上述结果进行非负化处理，取C=5，新误差序列为：X(0)=(2.6,2.9,1.7,0.2)。

建立数据矩阵：

所以a=0.77，b=6.16。根据理论公式：

求得方程的解为：

由GM(1,1)模型预测并求得其还原值为：

根据上式求得残差序列：

X(k)=(5.5,7.2,7.4)。

从而可以得到残差数列：(1.00,1.36,0.94)。

对上式建立GM(1,1)模型，

q(1)=(1.00,2.36,3.29)。

根据残差方程：

对上述方程k进行求导得：

减去非负数C=3得：

将上式代入到原计算模型得到：

因此，通过上述计算过程，可以预测得到E5′的挠度变化值为：7.61-5=2.61 mm，令模型理论计算的E5′挠度为X5，则可以预测得出该节段施工挠度值U5=X5+2.61=92.9+2.61=95.51 mm。

5 结语

通过对深茂铁路漠阳江特大桥项目的施工监控，并借助Midas软件进行有限元模型的数值模拟与实测数据对比分析以及挠度的预测分析，得到以下主要结论：

1)在顶推施工过程中，结构的最大压应力随着施工的进展缓慢增大，最大拉应力在第一次顶推和第二次顶推完成后基本维持平稳不变；在第三次顶推至顶推到位时，最大拉应力达到屈服强度的13.06%，最大压应力达到屈服强度的14.44%，有着较为显著的增长。

2)采用灰色理论的分析方法预测出的挠度值，实际的施工状态与设计理论状态保持一致，实际顶进结果表明，该计算方法精度满足施工要求，计算方便快捷，具有可操作性和科学性。

3)通过对不同施工阶段有限元模型的分析研究，应力实测值与理论计算值密切符合，误差在规范要求内，该结果表明模型计算与运用的正确性，可以有效的指导施工，为以后同类大跨度桥型的修筑提供一定借鉴意义。